未來(lái)能源利用技術(shù)的N種可能

7月10日，在中國(guó)電科院主辦的第四屆中國(guó)電力發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新院士論壇上，眾多與會(huì)專(zhuān)家為參會(huì)代表介紹了未來(lái)能源利用技術(shù)研發(fā)的最新趨勢(shì)與最前沿技術(shù)。“靈活高效”“安全可靠”“綠色經(jīng)濟(jì)”等成為高頻詞匯，這也為能源行業(yè)勾勒出未來(lái)發(fā)展的路徑與方向。 能源開(kāi)發(fā)與高效利用、電網(wǎng)安全與輸變電技術(shù)、電工新技術(shù)與未來(lái)電網(wǎng)，每個(gè)關(guān)鍵詞都緊扣能源電力行業(yè)未來(lái)發(fā)展脈搏。這些關(guān)鍵詞出自第四屆中國(guó)電力發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新院士論壇的三場(chǎng)分論壇，論壇的主旨報(bào)告“構(gòu)建新一代能源系統(tǒng)的設(shè)想”由中國(guó)電科院名譽(yù)院長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士周孝信帶來(lái)。中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院的20名院士匯集于此，用頂尖智慧探討未來(lái)能源利用技術(shù)的各種可能性。 未來(lái)電網(wǎng)：靈活智能、與互聯(lián)網(wǎng)融合 電網(wǎng)作為未來(lái)重要的能源傳輸渠道，具備怎樣的特性才能適應(yīng)各種新能源發(fā)展和日益多樣的用能需求? 中國(guó)科學(xué)院院士盧強(qiáng)和中國(guó)工程院院士鄭健超分別從微電網(wǎng)和大電網(wǎng)整體兩個(gè)方面提出了未來(lái)電網(wǎng)智能化的研究方向。 盧強(qiáng)認(rèn)為，建立智能微電網(wǎng)群將使電網(wǎng)的靈活性大幅提升。他表示，未來(lái)電網(wǎng)將是大電網(wǎng)與微電網(wǎng)的結(jié)合體，即超大型骨干網(wǎng)架和分布式微電網(wǎng)的結(jié)合體。大電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)架構(gòu)是微電網(wǎng)發(fā)展的前提條件。而微電網(wǎng)具有污染物零排放、接納清潔能源、超強(qiáng)調(diào)節(jié)能力的特征，恰好為大電網(wǎng)提供補(bǔ)充。 而微電網(wǎng)要想更好地與大電網(wǎng)融合，解決接入問(wèn)題非常重要。因此他提出了智能微電網(wǎng)群的概念。智能微電網(wǎng)群能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電、儲(chǔ)電、自用電以及與外部配電網(wǎng)交互電量的趨優(yōu)化控制，優(yōu)化微電網(wǎng)內(nèi)部的保護(hù)系統(tǒng)，與此同時(shí)，控制系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與外部配電網(wǎng)“并網(wǎng)”與“離網(wǎng)”的干擾極小化。 鄭健超對(duì)未來(lái)電網(wǎng)的特征描述是：抵抗自然災(zāi)害和防止人工失誤的能力將大幅增強(qiáng);占地面積將變得更小，造價(jià)更低更具有競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)環(huán)境的影響也將降低到公眾可接受的程度;更加靈活，允許更多的可再生能源輕松接入，適應(yīng)更多的運(yùn)行方式與用戶(hù)需求，并將電力轉(zhuǎn)換效率與資源利用效率最大化幾方面特征。 鄭健超認(rèn)為未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)是現(xiàn)代電網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合。從技術(shù)的角度講，是現(xiàn)代電網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)代信息通信技術(shù)的融合、高電壓技術(shù)與微電子技術(shù)的融合。比如交流和直流技術(shù)的融合將兩種輸電方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)，智能化的無(wú)線(xiàn)傳感器將為未來(lái)電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集提供極大便利，還有換流器和傳統(tǒng)變壓器技術(shù)融合產(chǎn)生的固態(tài)智能電力變壓器，傳輸功率密度比常規(guī)變壓器大2個(gè)數(shù)量級(jí)，重量卻只有75磅(約34公斤)，甚至能被裝進(jìn)手提箱里，這些新技術(shù)和新產(chǎn)品都是未來(lái)電子技術(shù)和電網(wǎng)技術(shù)融合的產(chǎn)物，協(xié)同增效將成為判斷新技術(shù)或新產(chǎn)品是否適應(yīng)未來(lái)趨勢(shì)的重要依據(jù)。 長(zhǎng)期從事電網(wǎng)工程與直流輸電技術(shù)研究的中國(guó)工程院院士李立浧，結(jié)合頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)，油氣資源深度開(kāi)發(fā)，煤炭清潔利用，風(fēng)能和太陽(yáng)能技術(shù)開(kāi)發(fā)以及電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能技術(shù)、智能電網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，從能源技術(shù)革命的角度展望了我國(guó)能源利用的未來(lái)。 李立浧表示，在高度信息化的今天，未來(lái)能源的發(fā)展勢(shì)必與互聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)放性思維相碰撞，依靠大數(shù)據(jù)云計(jì)算平臺(tái)的分析，在能源生產(chǎn)、能源傳輸、能源消費(fèi)方面進(jìn)行突破，以實(shí)現(xiàn)能源清潔、互聯(lián)的均衡發(fā)展。在能源生產(chǎn)方面，應(yīng)大力推進(jìn)煤炭等化石能源的清潔高效利用，著力發(fā)展綠色新能源，形成以清潔能源為主動(dòng)力的多輪驅(qū)動(dòng)能源供應(yīng)體系。在能源傳輸方面，打破傳統(tǒng)能源傳輸介質(zhì)束縛，更新能源傳輸方式。在能源消費(fèi)方面，實(shí)現(xiàn)能源形式之間的相互轉(zhuǎn)換，為消費(fèi)端因地制宜地地選擇能源消費(fèi)類(lèi)型提供可能。同時(shí)，能源消費(fèi)流量及狀態(tài)數(shù)據(jù)可以被實(shí)時(shí)采集，便于能源間的協(xié)調(diào)控制與均衡發(fā)展。 如何提升電力系統(tǒng)可靠性? 電能是聯(lián)系一次能源及終端能源消費(fèi)的高效、靈活而綠色的紐帶。安全可靠的電力是能源安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。 如何才能提升電力系統(tǒng)可靠性? 中國(guó)工程院院士薛禹勝認(rèn)為，電網(wǎng)是電力傳輸及電力市場(chǎng)的物理平臺(tái)，電力系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到國(guó)家安全，這其中包括系統(tǒng)的安全性和充裕性。中國(guó)在電力安全預(yù)警防御技術(shù)上引領(lǐng)世界，但還有一些需求不能滿(mǎn)足。 薛禹勝認(rèn)為應(yīng)該在大能源層次上研究充裕性和穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)。利用風(fēng)險(xiǎn)觀點(diǎn)協(xié)調(diào)安全與經(jīng)濟(jì)性，安全約束不再單獨(dú)需要。而量化分析是電力系統(tǒng)約束優(yōu)化及控制優(yōu)化的基礎(chǔ)。自然環(huán)境、能源環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、社會(huì)環(huán)境、人才環(huán)節(jié)、創(chuàng)新環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施、政策與監(jiān)管的擾動(dòng)都會(huì)影響供電可靠性。反之，電力系統(tǒng)的充裕性與穩(wěn)定性也影響各外部環(huán)節(jié)。要從大能源觀出發(fā)研究電力流的上下游，考慮電力與一次能源及終端電源的交互，以及在大能源變革過(guò)程中能源轉(zhuǎn)換及儲(chǔ)能技術(shù)的影響，同時(shí)要考慮到針對(duì)大規(guī)?？稍偕茉?、分布式發(fā)電及儲(chǔ)能，需要哪些外延等問(wèn)題。 基于對(duì)電力可靠性研究的思考，薛禹勝提出了一個(gè)新的名詞——綜合能源網(wǎng)。 綜合能源網(wǎng)概念不同于智能電網(wǎng)，也有別于“EnergyInternet”(能源互聯(lián)網(wǎng))。在此觀點(diǎn)下，針對(duì)現(xiàn)有電力可靠性研究不足之處，大能源觀下電力系統(tǒng)監(jiān)控與分析的概念也需要延伸，如電廠與電網(wǎng)，設(shè)備與系統(tǒng)，博弈與機(jī)理的交互影響，技術(shù)措施、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域與管理決策，能源、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的綜合分析與控制，多領(lǐng)域、跨學(xué)科的系統(tǒng)工程等。 綜合能源網(wǎng)的可靠性研究的重要方向是提高多道防線(xiàn)的自適應(yīng)能力，應(yīng)全面提升應(yīng)對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)極端事件的能力，“按風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)則”來(lái)權(quán)衡可靠性與經(jīng)濟(jì)性，而不是“按多少年不遇的準(zhǔn)則”來(lái)確定所必須關(guān)注的災(zāi)害場(chǎng)景。 提升電網(wǎng)的安全系數(shù)，除了對(duì)電網(wǎng)整體的思考外，提高相關(guān)設(shè)備的安全性也是重要一環(huán)。 論壇上，中國(guó)工程院院士陳予恕就結(jié)合“中國(guó)制造2025”分析了“特高壓輸電裝備”保障安全運(yùn)行的行業(yè)基礎(chǔ)和共性關(guān)鍵技術(shù)。 陳予恕認(rèn)為，我國(guó)在特高壓輸變電裝備領(lǐng)域已經(jīng)創(chuàng)造了世界先進(jìn)技術(shù)。輸電線(xiàn)路的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行，其理論基礎(chǔ)是動(dòng)力學(xué)，對(duì)影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的危害之一——輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)的分析與防治就屬于動(dòng)力學(xué)范疇，對(duì)動(dòng)力學(xué)的足夠重視能夠更好地為我國(guó)特高壓輸電線(xiàn)路技術(shù)領(lǐng)先世界先進(jìn)水平創(chuàng)造條件。 此外，陳予恕還建議，目前電網(wǎng)在設(shè)計(jì)輸電線(xiàn)路時(shí)多數(shù)是對(duì)桿塔、基礎(chǔ)和導(dǎo)線(xiàn)分別進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)等計(jì)算分析，以便確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)的大小。但是在輸電線(xiàn)路送電過(guò)程中，它們是互相聯(lián)系耦合的一個(gè)整體，要作為一個(gè)整體系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，并將理論結(jié)果與線(xiàn)路實(shí)驗(yàn)結(jié)果互相驗(yàn)證，以便做到安全、經(jīng)濟(jì)和可靠的運(yùn)行。 中國(guó)科學(xué)院院士王錫凡則從大眾并不熟悉的電磁脈沖輻射(EMP)對(duì)電網(wǎng)危害的角度詳細(xì)講解了EMP威脅的應(yīng)對(duì)策略。 相比其他干擾，電磁脈沖造成的大停電難以恢復(fù)，大量一次、二次設(shè)備同時(shí)被干擾損壞，電磁脈沖輻射會(huì)首先破壞通信系統(tǒng)和控制設(shè)備，使處理事故和恢復(fù)供電更加困難，其他基礎(chǔ)設(shè)施如交通、通信、供水、金融等系統(tǒng)癱瘓，都給電力系統(tǒng)恢復(fù)帶來(lái)困難，包括燃料供應(yīng)等。 王錫凡表示電力系統(tǒng)必須對(duì)電磁脈沖輻射的襲擊進(jìn)行防護(hù)，把破壞后果降低到合理的程度，可以從分析和計(jì)算、試驗(yàn)與仿真、組織與協(xié)調(diào)、電力系統(tǒng)分析和電力系統(tǒng)規(guī)劃等方面開(kāi)展研究。防護(hù)電磁脈沖主要做好三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即對(duì)電力系統(tǒng)的防護(hù)、減輕襲擊的破壞后果、電磁脈沖彈襲擊后的修復(fù)。 發(fā)電安全與電網(wǎng)安全一樣，也是保障電力系統(tǒng)安全的關(guān)鍵點(diǎn)之一。近年來(lái)，核電作為清潔高效的替代能源，越來(lái)越受到各界重視。中國(guó)工程院院士葉奇蓁結(jié)合自主研發(fā)的三代核電技術(shù)“華龍一號(hào)”，探討了如何從技術(shù)角度保障核電站安全，安全高效利用核能。 葉奇蓁表示，在幾次大型核電事故后，人們對(duì)發(fā)展核電有了更多的顧慮，甚至“談核色變”。目前我國(guó)自主研發(fā)的核電技術(shù)，正在努力達(dá)到實(shí)際消除大規(guī)模放射性釋放的標(biāo)準(zhǔn)。“華龍一號(hào)”在研發(fā)過(guò)程中，非常重視安全可靠性指標(biāo)，充分借鑒了日本福島核事故經(jīng)驗(yàn)反饋，貫徹了核安全縱深防御和設(shè)計(jì)可靠性原則，采用“能動(dòng)與非能動(dòng)結(jié)合的安全設(shè)計(jì)理念”，具備完善的嚴(yán)重事故預(yù)防與緩解措施，采用雙層安全殼，具有抗商用大飛機(jī)撞擊能力。 葉奇蓁還提到，日本福島事故之后，耐事故燃料成為核電燃料研發(fā)新方向。它能夠?yàn)椴僮鲉T提供更長(zhǎng)的應(yīng)對(duì)時(shí)間和緩解嚴(yán)重事故后果，研發(fā)的具體目標(biāo)包括降低堆芯(燃料)熔化的風(fēng)險(xiǎn)，緩解或消除鋯水反應(yīng)導(dǎo)致的氫爆風(fēng)險(xiǎn)，提高事故下裂變產(chǎn)物的包容能力。 未來(lái)如何儲(chǔ)能? 未來(lái)能源利用日趨靈活多樣，這使儲(chǔ)能技術(shù)受到了極大的關(guān)注。談及儲(chǔ)能，電池是目前技術(shù)水平下的首選。業(yè)界曾有人用“新能源發(fā)展被一塊電池?fù)踝×巳ヂ?rdquo;來(lái)形容電池技術(shù)瓶頸對(duì)能源靈活利用的限制。這樣的說(shuō)法雖然有些夸張，但是儲(chǔ)能電池對(duì)推動(dòng)各領(lǐng)域技術(shù)、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要性確實(shí)越來(lái)越明顯，對(duì)于電池的要求也越來(lái)越高。能量密度、功率密度、壽命、安全性、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性、制造與成本等考量因素也不斷增多。 究竟什么類(lèi)型的電池將成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，成為業(yè)界爭(zhēng)論不休的問(wèn)題。中國(guó)工程院院士楊裕生在此次論壇上提出了重要觀點(diǎn)：沒(méi)有一種新型“萬(wàn)能電池”，能夠滿(mǎn)足目前各方面對(duì)于電池的需求。 在楊裕生看來(lái)，鉛炭電池有著低成本、安全、原料易得、可靠、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成熟等顯著優(yōu)勢(shì)，適用于城市微電網(wǎng)、風(fēng)光儲(chǔ)能電站、風(fēng)電路燈等系統(tǒng)，還能為各種電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)能，是符合我國(guó)產(chǎn)業(yè)布局和制造水平的一種儲(chǔ)能電池。對(duì)于電網(wǎng)使用電池儲(chǔ)能，可研究的方向如超級(jí)電容器用于智能電網(wǎng)調(diào)頻;鉛炭電池用于智能電網(wǎng)的功率平滑，也適用于可再生能源、分布式電網(wǎng)及家用;高安全性的鋰離子電池可參與競(jìng)爭(zhēng)。 所以，楊裕生提出，未來(lái)電池發(fā)展應(yīng)兼容并包，并將安全因素放在首位，抓住各類(lèi)電池的特點(diǎn)，依勢(shì)發(fā)展。比如鋰離子電池，應(yīng)將安全性放在首位;鋰硫電池，則需攻克壽命、功率和安全三大關(guān);液流電池，需提高自動(dòng)化程度和能量效率，降低成本;超級(jí)電容器，應(yīng)突破高性能超級(jí)活性碳材料技術(shù)，替代進(jìn)口、降低成本。當(dāng)前研究的新型儲(chǔ)能電池——鋅鋰錳水系電池則可以在進(jìn)一步提高其循環(huán)性能方面提升競(jìng)爭(zhēng)力。 除了電池，其他新型儲(chǔ)能方式也引起學(xué)者們的關(guān)注。盧強(qiáng)在論壇上分享了他研究的一項(xiàng)電量?jī)?chǔ)能新技術(shù)——壓縮空氣機(jī)儲(chǔ)能，即用棄風(fēng)、棄水、棄光的電來(lái)壓縮空氣，將空氣壓縮在一個(gè)能裝200個(gè)大氣壓的容器內(nèi)，等到要用的時(shí)候，再將壓縮空氣噴放出來(lái)，沖動(dòng)渦輪機(jī)，帶動(dòng)機(jī)組發(fā)電。壓縮空氣儲(chǔ)能有三個(gè)典型優(yōu)點(diǎn)：使用壽命長(zhǎng);環(huán)境友好，零碳排放;冷—熱—電三聯(lián)供，綜合利用效率高。新型儲(chǔ)能技術(shù)和智能微電網(wǎng)群兩者結(jié)合，將為未來(lái)能源的靈活利用提供更大的選擇余地。 電動(dòng)汽車(chē)作為儲(chǔ)能電池的重要應(yīng)用對(duì)象，其發(fā)展對(duì)于儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)有著關(guān)鍵性的影響。中國(guó)工程院院士陳清泉在此次論壇上帶來(lái)了對(duì)電動(dòng)汽車(chē)、動(dòng)力電池、基礎(chǔ)設(shè)施、無(wú)線(xiàn)充電發(fā)展方向的新思考。他提出了發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)的三個(gè)關(guān)鍵因素：好的產(chǎn)品，好的基礎(chǔ)設(shè)施，好的商業(yè)模式。 陳清泉認(rèn)為，中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展涉及能源資源生產(chǎn)、交通模式、商業(yè)模式、基礎(chǔ)設(shè)施、智能交通、智慧城市等方面，是一項(xiàng)延伸范圍廣、綜合程度高、多領(lǐng)域交叉融合的系統(tǒng)性工程，要緊密結(jié)合智能電網(wǎng)建設(shè)，以及遠(yuǎn)程智能信息控制、智慧型城市建設(shè)，按照大城市、城市間、小城鎮(zhèn)“點(diǎn)線(xiàn)面”三個(gè)步驟有序推進(jìn)。 而電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的核心內(nèi)容，是電池技術(shù)的進(jìn)步。當(dāng)前發(fā)展較為成熟的磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、三元材料電池均很難滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程的最終發(fā)展要求。因此，動(dòng)力電池的發(fā)展方式尤為重要，應(yīng)兼顧比能量與安全性，以提升比能量密度為主線(xiàn)，多角度、系統(tǒng)化提高電池安全可靠性。下一代動(dòng)力電池的研發(fā)也應(yīng)著力攻克正、負(fù)極材料和電介質(zhì)隔板的核心技術(shù)及模塊智能技術(shù)，跨領(lǐng)域聯(lián)合開(kāi)展新一代高容量鋰離子正負(fù)極材料和以鋰聚合物電池——鋰硫、鋰空氣、鈉空氣為代表的新型體系電池研發(fā)，形成核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系。 智能靈活的未來(lái)電網(wǎng)、安全可靠的電力系統(tǒng)、高效經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)能技術(shù)，給未來(lái)能源利用提供了多種可能，為人們生活帶去更加靈活、高效、持久、綠色的能源。